爬壁機(jī)器人發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述

聶佩晗，張雅婷，陳勇

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代社會越來越追求智能化，工業(yè)機(jī)器人可以把人類從繁瑣、重復(fù)、危險的勞動作業(yè)中解放出來。其中，爬壁機(jī)器人具有自動化程度高、能夠代替人完成特殊場合下作業(yè)的特點，因此近些年成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。爬壁機(jī)器人是一種工作在空間壁面環(huán)境中并攜帶特定作業(yè)工具以完成特定任務(wù)的特種機(jī)器人。它可以代替人類在高空等危險環(huán)境下有效完成各項工作，如船舶業(yè)的除銹與噴涂、大型建筑物外表面的清洗、反恐偵察、石化行業(yè)大型油罐的噴漆及檢測探傷、金屬罐容量計量、大型風(fēng)電扇葉的維護(hù)等。在實際應(yīng)用中，爬壁機(jī)器人不僅需要在簡單的壁面進(jìn)行工作，還需要工作于復(fù)雜的壁面環(huán)境，如曲面、多壁面、粗糙平面等。然而目前，爬壁機(jī)器人行業(yè)尚未成熟，研究機(jī)構(gòu)主要以科研院所及高校為主，存在功能性匹配度不高、安全穩(wěn)定性低等制約因素。要盡快突破這些瓶頸，對爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究及創(chuàng)新必不可少。

1 爬壁機(jī)器人的吸附方式

根據(jù)工作環(huán)境和工作介質(zhì)的不同，爬壁機(jī)器人吸附方式主要有：負(fù)壓吸附、磁吸附、仿生吸附、靜電吸附、黏結(jié)劑吸附。

1.1 負(fù)壓吸附

負(fù)壓吸附的原理是在機(jī)器人內(nèi)部產(chǎn)生真空或者負(fù)壓，利用機(jī)器人內(nèi)外壓力差實現(xiàn)吸附。負(fù)壓吸附通常為吸盤結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是不受工作材料的限制。

圖1所示為華南理工大學(xué)研發(fā)的一種多關(guān)節(jié)雙足爬壁機(jī)器人W-Climbot，它每只足有3個真空吸盤以增加冗余度，提高吸附的可靠性。該機(jī)器人由5個關(guān)節(jié)模塊和2個負(fù)壓吸附模塊組成，在光滑表面上的移動性能優(yōu)良，也可具有吸附和操控物體的功能。

圖2所示為日本東北大學(xué)發(fā)明的一種基于新型真空吸盤的爬壁機(jī)器人，其吸盤有可隨接觸表面變形的裙部以避免漏氣。這種多吸盤腳式爬壁機(jī)器人具有可靠的穩(wěn)定性和吸附性，但其移動是間斷的，且移動速度受到限制，控制難度大。

圖 1 W-Climbot機(jī)器人 圖2 真空吸盤式爬壁機(jī)器人

負(fù)壓吸附方式雖然可以不受壁面材料的限制，但對壁面的粗糙程度要求較高，只能用于連續(xù)光滑的壁面。若壁面上凹凸不平或者有裂縫，會削弱吸盤的吸附能力，對爬壁機(jī)器人正常作業(yè)造成影響。

1.2 磁吸附

磁吸附又分為電磁吸附和永磁吸附。這種吸附方式能產(chǎn)生很大的吸附力，不受凹凸或裂縫的限制，也不受物體表面狀態(tài)(粗糙度、濕度、溫度)的影響。

西班牙的GRIECO等研制出了一種具有大負(fù)載能力的六足電磁吸附式機(jī)器人REST，如圖3所示。西班牙CSIC大學(xué)工業(yè)自動化研究所研制出2種足式電磁吸附爬壁機(jī)器人，采用直流電機(jī)和齒輪驅(qū)動。電磁吸附可以通過對電源的控制實現(xiàn)吸附力大小的調(diào)節(jié)，但同時也存在斷電時機(jī)構(gòu)容易發(fā)生墜落的風(fēng)險。

圖3 全地形六足爬壁機(jī)器人 圖4 永磁吸附履帶模塊

如圖4所示，上海交通大學(xué)采用稀土永磁吸盤作為壁面吸附機(jī)構(gòu)，研制了一種應(yīng)用于油罐容積檢測的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人設(shè)有2個旋轉(zhuǎn)和1個直線運(yùn)動關(guān)節(jié)，能越過15 mm高的障礙。清華大學(xué)利用永磁吸附裝置研制出非接觸式吸盤，設(shè)計了多體柔性永磁吸附爬壁機(jī)器人，能在復(fù)雜空間曲面上可靠吸附和靈活運(yùn)動。永磁吸附具有結(jié)構(gòu)小、吸附力大以及不需要提供額外電源的優(yōu)點，但永磁吸附的磁力大小不能調(diào)節(jié)，吸附力有時會成為爬壁機(jī)器人運(yùn)動的阻力。

磁吸附方式只能應(yīng)用于導(dǎo)磁體表面，如果壁面上出現(xiàn)銹蝕或者有螺絲松動，爬壁機(jī)器人在移動過程中可能會吸走鐵銹或者螺絲，導(dǎo)致磁鐵吸力下降，也會給被檢測設(shè)備帶來安全隱患。

1.3 仿生吸附

科學(xué)家受到自然界某些動物(如螞蟻、壁虎等)能在三維空間壁面上自由行走的啟發(fā)，參照其骨骼和運(yùn)動機(jī)制以及足端的爪刺結(jié)構(gòu)，研制出基于仿生技術(shù)的爬壁機(jī)器人。其吸附原理是利用納米級人造仿生纖毛材料通過范德華力吸附于壁面。

如圖5所示，美國斯坦福大學(xué)一個研究小組開發(fā)出了一種仿壁虎機(jī)器人Stickybot， 它的4個趾底布滿了數(shù)百萬根人造橡膠制成的用于粘附的毛發(fā)，能輕松地實現(xiàn)腳足與附著面的吸附與脫附。該機(jī)器人的外形、運(yùn)動方式、吸附原理都與真實的壁虎非常相似，但吸附能力比真實壁虎差很多，而且加工不易卻容易損耗。

圖5 Stickybot 圖6 仿生爪刺式履帶爬壁機(jī)器人

在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)仿生研究所開發(fā)了一種四足仿壁虎爬壁機(jī)器人，這種機(jī)器人每條腿有6個自由度，足端采用一種仿壁虎的黏附陣列。圖6所示為西安理工大學(xué)提出的一種仿生爪刺式履帶爬壁機(jī)器人，通過機(jī)構(gòu)設(shè)計模仿昆蟲足部粘附、脫附動作，實現(xiàn)在履帶旋轉(zhuǎn)過程中爪刺足穩(wěn)定粘附、輕松脫附，為設(shè)計高效運(yùn)動的仿生爪刺式爬壁機(jī)器人提供了思路。

上述仿生吸附的方式可在粗糙壁面利用毛刺(爪刺)吸附，其應(yīng)用前景十分廣闊。但是，這種吸附方式的吸附力有限，對壁面的要求也很高，其足部納米級結(jié)構(gòu)的人工纖毛韌性和強(qiáng)度不足且制作成本較高，距離實際應(yīng)用還有很大差距。

1.4 靜電吸附

爬壁機(jī)器人可以通過靜電吸附的方式吸附在豎直壁面或者天花板上。這種方式主要利用靜電吸盤與壁面之間的電場力作為機(jī)器人的吸附力，可作用于各種壁面材料，具有質(zhì)量輕、功耗低、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、對壁面無損傷、吸附力可控等優(yōu)點。

日本東京大學(xué)YAMAMOTO等最先嘗試將靜電吸附技術(shù)應(yīng)用于爬壁機(jī)器人，采用柔性電路板制作了兩款爬壁機(jī)器人樣機(jī)，如圖7所示。采用雙電極靜電吸盤，通過尺蠖方式在垂直導(dǎo)體壁面上行走，II型樣機(jī)中將雙電極結(jié)構(gòu)改進(jìn)成了梳妝叉指電極結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)在絕緣壁面上行走。

圖7 東京大學(xué)設(shè)計的爬壁機(jī)器人

哈爾濱工程大學(xué)采用鋁箔作為電極，研發(fā)了國內(nèi)首款單履帶結(jié)構(gòu)的靜電吸附式爬壁機(jī)器人，通過在電極上施加高壓使機(jī)器人能夠在石灰壁面上進(jìn)行移動。北京航空航天大學(xué)研制的靜電吸附爬壁機(jī)器人，可在傾角為30°的壁面上實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。華南理工大學(xué)的王黎明研制出雙履帶的靜電爬壁機(jī)器人(見圖8)，該樣機(jī)兩側(cè)履帶均由靜電吸附膜構(gòu)成，通過調(diào)控左右電極速度，使兩側(cè)履帶形成速度差，實現(xiàn)爬壁機(jī)器人的直線行走、轉(zhuǎn)向掉頭等運(yùn)動。

圖 8 雙履帶的靜電爬壁機(jī)器人

靜電吸附機(jī)器人中使用的柔性電極吸附膜與電機(jī)帶動的輾軸之間是通過摩擦力帶動的，故而電極膜容易被磨損，導(dǎo)致吸附性降低。此外，靜電吸附機(jī)器人不適用于潮濕工作環(huán)境中。

1.5 黏結(jié)劑吸附

黏結(jié)劑吸附方式通常采用黏性材料，利用分子間的范德華力，在很小的接觸面上產(chǎn)生巨大的吸力且不受壁面材料和粗糙程度的影響。

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研制了一種采用扁平黏合彈性材料的小型機(jī)器人Waalbot，它的每個腳上呈三角分布著3個黏性足盤,由電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)爬升和轉(zhuǎn)向。韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所展示了一種壁虎式四足機(jī)器人，如圖9所示，它的4個足帶有聚二甲基硅氧烷黏合墊蘑菇形微柱，可以在天花板和不同角度的墻壁上行走。

圖9 壁虎式四足機(jī)器人 圖10 Mini-Whegs機(jī)器人

美國克利夫蘭大學(xué)設(shè)計了采用專利技術(shù)的爬壁機(jī)器人Mini-Whegs，如圖10所示，它的每個輪子上均裝有4個具有特殊黏性的高分子材料制成的長條片狀結(jié)構(gòu)。同軸上2個輪子的葉片與接觸面成一定角度并相互交錯，以此來保證在行進(jìn)時至少有1個輪子的葉片與壁面相接觸。

黏結(jié)劑吸附方式常與仿生吸附相結(jié)合，采用這種吸附方式，雖然不受工作壁面的限制，但黏性材料很容易受到環(huán)境中灰塵的影響， 使得吸附力下降。

1.6 吸附方式總結(jié)

綜上所述，不論是哪種吸附方式，在為爬壁機(jī)器人提供吸附力以保證其安全移動的過程中，吸附力總會成為爬壁機(jī)器人移動的阻力，如何平衡吸附性與機(jī)動性成為關(guān)鍵問題。南京林業(yè)大學(xué)研制了一種采用新型電磁吸附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，如圖11所示。這種電磁結(jié)構(gòu)能讓分別與電磁鐵正負(fù)極相連的小滑輪沿著只有下側(cè)部采用導(dǎo)電材料制成的兩條環(huán)形導(dǎo)電槽移動，當(dāng)同步帶輪被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，電磁鐵將依次與導(dǎo)電槽接觸和脫離。在這種方案中，磁力只是吸附力而不會成為機(jī)器人運(yùn)動過程中的阻力。經(jīng)實驗驗證，這種方案具有可行性。

圖11 電磁吸附爬壁機(jī)器人

2 爬壁機(jī)器人的行走方式

爬壁機(jī)器人常見的行走方式有多足式、輪式、框架式和履帶式等，其中輪式和履帶式最為常見。以上行走方式各具優(yōu)缺點。

如圖9所示的四足式爬壁機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在粗糙壁面上穩(wěn)定爬行，具有一定的越障能力。這種多足步行式爬壁機(jī)器人常采用仿生吸附的方式，轉(zhuǎn)向靈活、壁面過渡性好，但移動速度慢且控制難度大。

中國計量大學(xué)研制的一種輪式爬壁機(jī)器人如圖12所示，具有運(yùn)動靈活、耗能少、體積小、質(zhì)量輕、移動速度快等優(yōu)勢。但輪式爬壁機(jī)器人車輪與壁面的接觸面積小，容易打滑，雖然可以通過增加輔助機(jī)構(gòu)以提高其吸附能力，但會引起自重的增加，因此輪式爬壁機(jī)器人的負(fù)載性能不好。

圖12 可折疊輪式爬壁機(jī)器人 圖13 框架式爬壁機(jī)器人

框架結(jié)構(gòu)是一種比較平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)，圖13所示為北京理工大學(xué)設(shè)計的框架式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人利用兩層或者多層框架交替運(yùn)動來實現(xiàn)機(jī)器人本體的前進(jìn)，控制簡單、吸附能力較強(qiáng)，但其移動速度慢且不易轉(zhuǎn)向。

以圖8所示的雙履帶式爬壁機(jī)器人為例，這種爬壁機(jī)器人與壁面接觸面積大、自身吸附力較強(qiáng)、可供負(fù)載大，但在轉(zhuǎn)向時需要較大的轉(zhuǎn)矩，壁面過渡能力也較弱。

在爬壁機(jī)器人研究中，常選擇多種行走方式相結(jié)合的方法來實現(xiàn)壁面過渡。上海交通大學(xué)研制的輪足組合式自主焊接爬壁機(jī)器人WCWR，綜合了輪式和足式的優(yōu)點，性能得到了較大提高。

3 爬壁機(jī)器人的驅(qū)動方式

驅(qū)動方式?jīng)Q定了機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。常見的驅(qū)動方式有氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動，原理是將氣壓、液壓或者電機(jī)等的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)器人直線或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動所需能量。

3.1 氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動是采用氣動馬達(dá)或者氣缸壓縮氣體實現(xiàn)能量傳輸，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其優(yōu)點在于原理簡單、便于操作、易于編程，以空氣作為工作介質(zhì)取之不盡用之不竭，制造成本低、輸入力大且具有良好的緩沖作用。圖14所示的氣壓驅(qū)動爬壁機(jī)器人，氣缸用于將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。其缺點在于需要配置空氣壓縮機(jī)，噪聲較大，且具有強(qiáng)烈的非線性，控制困難。

圖14 氣動六足式爬壁機(jī)器人

3.2 液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動以液壓油作為工作介質(zhì)，把油壓泵產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)器人運(yùn)動過程中所需要的扭矩和力，通過液壓油缸或液壓馬達(dá)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，穩(wěn)定性較強(qiáng)。它具有動力大、力矩與體積之比大、響應(yīng)速度高等優(yōu)點。圖15所示為液壓驅(qū)動重載爬壁機(jī)器人的液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)控制動力驅(qū)動單元的液壓馬達(dá)減速裝置，為重載爬壁吸附機(jī)構(gòu)提供行走的驅(qū)動力，同時控制液壓馬達(dá)減速裝置形成差速工況，實現(xiàn)整套重載爬壁吸附機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向行走。液壓驅(qū)動需要設(shè)計體積較大的液壓動力源設(shè)備和復(fù)雜的管路，工作效率較低、維修技術(shù)要求高、系統(tǒng)噪聲大，還存在油液泄漏的危險，在一定程度上影響機(jī)器人的穩(wěn)定性和控制精度。因此，液壓驅(qū)動常用在大型動力機(jī)械上。

圖15 爬壁機(jī)器人液壓系統(tǒng)

3.3 電機(jī)驅(qū)動

電機(jī)驅(qū)動基本原理一般是通過電機(jī)和減速器之間的配合來驅(qū)動負(fù)載，可以分為普通電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動具有效率高、響應(yīng)快、體積小、質(zhì)量小等優(yōu)點，但在提供大推力時成本較高，且經(jīng)常需要配合減速器使用，降低速度需要很大的力矩，力矩與質(zhì)量之比較低，這是電機(jī)驅(qū)動的一大弊端。圖16所示電機(jī)驅(qū)動式爬壁機(jī)器人啟動時，伺服電動機(jī)直驅(qū)主動輪，電動機(jī)輸出的牽引力需要克服靜摩擦力與重力沿船體的分量，從而完成行進(jìn)動作。目前，電機(jī)發(fā)展趨勢為小型化、大功率，擴(kuò)展了電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用范圍和場合。

圖16 電機(jī)驅(qū)動式爬壁機(jī)器人

4 爬壁機(jī)器人的壁面過渡結(jié)構(gòu)

爬壁機(jī)器人不僅需要在單一壁面上工作，而且會在階梯壁面、存在一定角度的壁面或者復(fù)雜曲面環(huán)境中工作，這就要求爬壁機(jī)器人具有在三維空間壁面過渡的能力。然而，這個問題始終沒有得到很好的解決，這在很大程度上制約了爬壁機(jī)器人進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。

4.1 多段式結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外的學(xué)者們大多數(shù)采用雙段式或多段式結(jié)構(gòu)來解決爬壁機(jī)器人的壁面過渡問題。韓國首爾國立大學(xué)采用柔性連接的自適應(yīng)運(yùn)動研制了爬壁機(jī)器人Combot。美國斯坦福大學(xué)基于拉格朗日公式研制了一種磁履帶式多體爬壁機(jī)器人，如圖17所示，它可實現(xiàn)在垂直壁面間的過渡。

圖17 磁履帶式多體爬壁機(jī)器人 圖18 雙履帶過渡結(jié)構(gòu)

中國計量大學(xué)研制了利用扭簧連接的永磁吸附的可折疊輪式爬壁機(jī)器人和雙履帶過渡結(jié)構(gòu)式爬壁機(jī)器人，分別如圖12和圖18所示。

4.2 連桿結(jié)構(gòu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用三自由度機(jī)械臂吸盤和四輪滑動吸附機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方案，研制了輪足混合雙吸盤爬壁機(jī)器人，如圖19所示。輪式移動方式下，吸盤為滑動吸附狀態(tài)，機(jī)器人能夠在平整壁面上快速移動；雙足運(yùn)動方式下，吸盤為靜止吸附狀態(tài)，可實現(xiàn)機(jī)器人的地壁過渡、越障等運(yùn)動。南京理工大學(xué)采用復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)加絲桿驅(qū)動來實現(xiàn)爬壁機(jī)器人在各種墻面障礙上的尺蠖式仿生式移動。

圖19 輪足混合雙吸盤 圖20 連桿式爬壁機(jī)器人

韓國首爾國立大學(xué)采用多連桿軌道機(jī)構(gòu)和氣動黏合技術(shù)，解決壁面過渡問題。印度拉姆斯瓦密紀(jì)念大學(xué)研究了一個連桿式爬壁機(jī)器人，將3個吸盤呈三角形放置在連桿兩端，其結(jié)構(gòu)如圖20所示。

4.3 其他結(jié)構(gòu)

除上述結(jié)構(gòu)，學(xué)者們還在其他結(jié)構(gòu)上針對壁面過渡問題進(jìn)行了一些研究。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑分校采用鈍角三角形結(jié)構(gòu)和磁吸附履帶結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方案研制了爬壁機(jī)器人TRIPILLAR，如圖21所示。在內(nèi)側(cè)墻角時，驅(qū)動輪通過履帶將動力傳遞至輔助輪，輔助輪與壁面間的摩擦力對機(jī)器人產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩將機(jī)器人的本體抬起，以達(dá)到壁面過渡的目的。

圖21 TRIPILLAR 圖22 行星輪系結(jié)構(gòu)機(jī)器人

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所針對具有雙足輪混合動力運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具有壁面過渡能力的爬壁機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃問題，提出了一種采用插值方案和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線自適應(yīng)算法。北京信息大學(xué)設(shè)計了一種可以實現(xiàn)內(nèi)直角壁面過渡的混合磁吸附爬壁機(jī)器人模型。中國科學(xué)院大學(xué)研制了一種由一個行星輪系結(jié)構(gòu)將負(fù)壓模塊和真空模塊結(jié)合在一起的輪足復(fù)合式爬壁機(jī)器人，如圖22所示，2種運(yùn)動方式相互配合，利用復(fù)合運(yùn)動模式可實現(xiàn)交叉面跨越等。

現(xiàn)有的這些關(guān)于壁面過渡的研究，大多數(shù)還停留在模型仿真階段或?qū)嶒炇已芯侩A段。在少數(shù)有實物的成果中，大部分只具有單一的過渡能力，即只能進(jìn)行壁面凹過渡或壁面凸過渡，并不能滿足在復(fù)雜壁面上移動。南京林業(yè)大學(xué)研制了一個帶有偏轉(zhuǎn)離合機(jī)構(gòu)的兩段式磁吸附爬壁機(jī)器人，如圖23所示，它具有行走轉(zhuǎn)向和壁面的凹過渡和凸過渡功能。前后兩車段間連接有能維持一定偏轉(zhuǎn)角度以完成爬壁機(jī)器人在不同夾角壁面上過渡行走的定位機(jī)構(gòu)。其行走轉(zhuǎn)向和換壁動作主要是依靠伺服電機(jī)和4個小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動花鍵齒輪與內(nèi)齒輪的嚙合與離開的相互協(xié)調(diào)完成。

圖23 兩段式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)束語

不同爬壁機(jī)器人的吸附方式、行走方式、驅(qū)動方式和壁面過渡方式具有不同的優(yōu)缺點，不同爬壁機(jī)器人往往適用于不同的場合。其中，吸附方式爬壁機(jī)器人主要的技術(shù)瓶頸是吸附性和機(jī)動性的統(tǒng)一問題。吸附力越大，工作中的安全性越高，但同時受到的阻力也越大。由于無纜化是爬壁機(jī)器人的一個發(fā)展方向，應(yīng)多采用電池供電。在同等的供電條件下，阻力會導(dǎo)致爬壁機(jī)器人的損耗增加，續(xù)航能力下降。另外，實際應(yīng)用中還需要爬壁機(jī)器人工作于復(fù)雜壁面環(huán)境，所以它還必須具有在不同工作壁面之間進(jìn)行壁面過渡的能力。然而，目前對爬壁機(jī)器人的研究尚未成熟，現(xiàn)有的技術(shù)并不能滿足實際的需求。綜上所述，如何更好地解決吸附性和機(jī)動性之間的矛盾以及如何提高爬壁機(jī)器人的壁面過渡能力，是研究爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵問題。